方 科

（中國電子科技集團公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引言

作為擴頻測控通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，擴頻信號的捕獲包括接收信號載波頻率捕獲和偽碼相位捕獲兩方面內(nèi)容。一般而言，載波捕獲的輸出結(jié)果即本地信號載波頻率與接收信號載波頻率之差小于1 kHz，而偽碼捕獲的輸出結(jié)果即本地信號偽碼相位與接收信號偽碼相位之差小于1 chip[1]。本文主要研究基于PMF-FFT的頻域（頻率分槽）多通道并行捕獲和時域（偽碼分區(qū)）多通道并行捕獲，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求環(huán)境對擴頻信號捕獲實現(xiàn)方法和策略的選擇。

1 基于PMF-FFT的捕獲原理

基于PMF-FFT的捕獲過程如圖1所示，利用本地載波NCO混頻將ADC進來的數(shù)字中頻數(shù)據(jù)下變頻到基帶，同本地擴頻偽碼一起送入部分匹配濾波器[2]，當接收信號的偽碼和本地偽碼相位對齊時，部分匹配濾波器輸出結(jié)果是頻率值為收發(fā)雙方頻差的復(fù)正弦信號ej2πfdt，且短時固定，此固定頻率即為載波多普勒頻率fd。將匹配濾波器組輸出的部分相關(guān)值送入FFT模塊進行功率譜分析，等效于將擴頻信號的捕獲轉(zhuǎn)化為對單頻正弦波信號的周期圖估計及檢測。由于一個固定頻率的正、余弦信號在頻譜圖上是一條單一的譜線，而高斯白噪聲含有所有的頻率，其FFT變換后是無限寬的頻譜。因此對該復(fù)正弦信號進行最大似然概率最優(yōu)檢測[3]，檢測出是否含有該頻率成分。若含有該頻率成分，則收發(fā)雙方碼相位對準，實現(xiàn)碼捕獲，并計算出多普勒頻率；若不含該頻率成分，則收發(fā)雙方碼相位未對準，從而將原來的頻率、相位的二位搜索變成一維的搜索過程，大大減少了捕獲時間。

圖1 PMF-FFT捕獲原理

文獻[4]給出了 PMF-FFT 的幅頻響應(yīng)為:

式中，M是偽碼長度，對每X chip做部分相關(guān)，相關(guān)積分后原來M chip的數(shù)據(jù)降為P點，X =M/P，N表示對P點數(shù)據(jù)做N點FFT。多普勒頻偏fd對部分相關(guān)運算和FFT運算兩個過程都有影響。部分相關(guān)點數(shù)與多普勒頻偏造成的相關(guān)損失成同比關(guān)系，相關(guān)器的規(guī)模越大，做FFT 運算的點數(shù)越少，但同時相應(yīng)的相關(guān)損失也越厲害。如果要使算法覆蓋的多普勒頻偏范圍更大，需要減小X；如果要減小FFT的點數(shù)，節(jié)省硬件資源，就要增大 X，這是互相矛盾的。實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)待處理的多普勒頻偏范圍以及處理器的運算能力合理選擇相關(guān)器規(guī)模 X和FFT運算點數(shù) N。

2 基于PMF-FFT的多通道并行捕獲

捕獲的并行性體現(xiàn)在[5]:對同一段接收信號采樣數(shù)據(jù)，分別同時送給多個通道的通道處理模塊。每個通道處理模塊除了本地預(yù)置頻率、多普勒頻偏補償?shù)葏?shù)不同，其處理過程都完全相同。多通道譜峰判決模塊接收所有并行通道各自的最大相關(guān)峰值，從中選出最大峰值，并將該最大峰值對應(yīng)通道所估計的偽碼相位和多普勒頻率作為最終搜索結(jié)果。

2.1 頻域（頻率分槽）多通道并行捕獲

頻率分槽的基本思路有:根據(jù)多普勒頻偏的最大范圍和單個頻率槽最大分辨帶寬，把捕獲的頻域搜索范圍平均分為若干頻率區(qū)間，各中心頻率點設(shè)為fn(n=1,2,…,G)，如圖2所示。單個頻率槽最大分辨帶寬受部分相關(guān)點數(shù)限制[6]。

圖2 頻率區(qū)間劃分示意

基于PMF-FFT的頻域（頻率分槽）多通道并行捕獲結(jié)構(gòu)如圖3所示，捕獲過程如下:

1）按照事先的頻率區(qū)間劃分，利用本地 NCO將中頻輸入信號下變頻到各自的頻率槽中心位置。

2）利用低通濾波器去除正交下變頻后信號的帶外噪聲，然后對濾波后的信號進行降采樣率處理并存儲。

3）本地產(chǎn)生一個偽碼長度周期的偽碼序列并存儲。

4）讀取事先存儲的降采樣后數(shù)據(jù)和本地產(chǎn)生的PN碼同時送入PMF模塊，對計算得到的相關(guān)結(jié)果重新組合做FFT，記錄各組FFT 結(jié)果的最大模值。

5）各頻率槽通道的FFT最大模值送給多通道譜峰判決模塊，從所有并行通道各自的最大相關(guān)峰值中選出最大峰值，并將該最大峰值對應(yīng)通道所估計的偽碼相位和多普勒頻率做為最終搜索結(jié)果。

通過采用頻域（頻率分槽）多通道并行捕獲，可以在高動態(tài)環(huán)境下快速獲取多普勒頻移信息，以達到縮短捕獲時間的目的[7]。

圖3 頻域（頻率分槽）多通道并行捕獲結(jié)構(gòu)

2.2 時域（偽碼分區(qū)）多通道并行捕獲

偽碼分區(qū)的基本思路如下:部分匹配濾波每次只能對一小段的偽碼長度做相關(guān)運算，因此為了提高捕獲速度，可以將長度為L的偽碼平均分為若干偽碼子區(qū)間，將各個偽碼子區(qū)間視為不同的捕獲通道，并行對接收信號進行 PMF-FFT處理。如圖 4所示。

圖4 偽碼分區(qū)劃分示意

基于PMF-FFT的時域（偽碼分區(qū)）多通道并行捕獲結(jié)構(gòu)如圖5所示，捕獲過程如下:

1）按照事先的偽碼區(qū)間劃分，本地產(chǎn)生各個區(qū)間對應(yīng)不同起始相位的偽碼序列并存儲。

2）利用本地NCO將中頻輸入信號下變頻到頻率槽中心位置，經(jīng)過低通濾波濾去帶外噪聲，然后對濾波后的信號進行降采樣率處理并存儲。

3）讀取降采樣后的數(shù)據(jù)和不同通道對應(yīng)的本地PN碼送入PMF模塊，對計算得到的相關(guān)結(jié)果重新組合做FFT，記錄各組FFT 結(jié)果的最大模值。

4）各頻率槽通道的FFT最大模值送給多通道譜峰判決模塊，從所有并行通道各自的最大相關(guān)峰值中選出最大峰值，并將該最大峰值對應(yīng)通道所估計的偽碼相位和多普勒頻率作為最終搜索結(jié)果。

通過采用時域（偽碼分區(qū)）多通道并行捕獲，可以在低動態(tài)環(huán)境下快速獲取偽碼相位信息，以達到縮短捕獲時間的目的。

圖5 時域（偽碼分區(qū)）多通道并行捕獲結(jié)構(gòu)

3 結(jié)語

PMF-FFT算法由于其部分匹配濾波器長度和FFT點數(shù)可根據(jù)技術(shù)指標要求調(diào)整，為捕獲性能和復(fù)雜性二者之間提高很好的彈性選擇，因此在擴頻信號捕獲中得到越來越多的應(yīng)用?；赑MF-FFT的頻域（頻率分槽）多通道并行捕獲可捕獲較大范圍的載波多普勒頻偏和較高的多普勒頻率變化率，可用于載體高速、高加速度飛行等高動態(tài)環(huán)境下的測控領(lǐng)域；而基于PMF-FFT的時域（偽碼分區(qū)）多通道并行捕獲可快速捕獲偽碼相位，可用于短時突發(fā)擴頻通信、高精度時延測量等領(lǐng)域。

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